JP3020606B2

JP3020606B2 - 酸素消費量メーター

Info

Publication number: JP3020606B2
Application number: JP04503127A
Authority: JP
Inventors: ジェームズアールモールト
Original assignee: ジェームズアールモールト
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1991-06-27
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: CA2112382C; EP0591217B1; DE69132126D1; JPH07500509A; EP0591217A4; DE69132126T2; WO1993000040A1; CA2112382A1; ATE191839T1; EP0591217A1

Description

【発明の詳細な説明】関連出願のクロス・リファレンス本出願は1989年６月23日に提出された一部継続出願シ
リアルNo.368,947であり、これは順に1988年６月29日に
提出された一部継続出願シリアルNo.213,184であり、こ
こでは1990年４月17日に発行されたアメリカ特許4,917,
708になる。

発明の分野本発明は、代謝率を呼吸時の酸素消費量に基づいて測
定する間接的なカロリーメーター、特にCO2を吐出ガス
から抽出し且つ吸入ガス量と抽出された吐出ガスの量の
間の差を計算して、酸素消費量を求めるカロリーメータ
ーに関する。

発明の背景人体のエネルギー消費量の測定は数多くの理由から重
要である。栄養学的な観点から、静止状態のエネルギー
消費量の測定は、入院患者の食事に適したロリー成分
を、或る病気と外傷は静止状態のエネルギー消費量を実
質的に通常値から変化させるという事実を考慮して、決
定するために重要である。火傷をした患者の場合、代謝
率は300％も増加する場合がある。代謝酸素消費の割合
の測定が重要な他の病院の条件として、幼児に対する両
親の食事提供の調整と手術中の呼吸ガスの管理がある。
静止状態のエネルギー消費量は体重減少ダイエットの途
中でも実質的に低下し、なおかつ、この基礎的なエネル
ギー基準の把握は目標とする減少を達成するためにカロ
リー・インプットの調整に重要である。同様に、訓練中
のカロリー消費量と酸素消費量の把握は、心臓病のリハ
ビリテーションとアスレチック・トレーニングに役に立
つ。

呼吸中の酸素消費量を測定する多種多様な間接的なカ
ロリーメーターが考案され且つ市販されてきた。これら
は、呼吸中に薄められた酸素が酸素源から補給されて、
補給酸素量が呼吸酸素消費量を求めるために測定され
る、開示されたサーキット・デバイスを幅広く具備して
いる。このタイプのデバイスが、アメリカ特許No.4,75
3,245に開示されている。オープン・サーキット・デバ
イスは、吸入ガス量と吐出ガスの二酸化炭素と酸素の割
合を一般的に測定して、呼吸酸素消費量を求めている。
このクラスのデバイスは、アメリカ特許No.3,523,529,
4,619,269,4,221,224,4,572,208に開示されている。

これらのデバイスの全てが、比較的複雑で、なおか
つ、特殊な訓練を受けた技術者をそれらの操作のために
要求している。それらの用途は、集中治療ユニットの重
大な状態の患者に適した栄養学的な基準の調整に関し
て、病院の設定条件に対して大幅に制限されている。

カロリーメーターの考えられる単純で廉価な形状は、
吸入ガス量を測定して吐出ガスを二酸化炭素抽出器に通
して、肺に関連するCO2を吐出ガスから取り除いて、残
留ガス量を測定すると思われる。２つの測定値の差は、
呼吸作用の酸素消費量に直接関係すると思われる。しか
し、吐出ガスは吸入ガスと実質的に異なる温度と水蒸気
の成分をもつので、量の測定は、実際の酸素消費量と大
きく異なる推定値を導く恐れがある。更に、このような
デバイスは２つの測定に於ける比較的微少な違いを測定
すると考えられるので、妥当な精度を得るためのデバイ
スの開発に問題を生じる。

発明の要約本発明は、従って、それほど訓練を受けていない係員
が使用できて、それが広範囲にわたる多種多様な状態で
酸素消費量とエネルギー消費の測定のために使用するよ
うに適応されることができる、単純で低コストの間接的
カロリーメーター、または従来技術の欠点を克服する酸
素消費量メーターを意図されている。本発明のカロリー
メーターは、大気中の空気、または、機械的な換気装置
のような、任意の他の酸素源から作動できて、なおか
つ、化学的な二酸化炭素抽出器と吸入され吐出される空
気量の流量メーター手段を使用している。抽出器、流量
計、吸入されるガス源、およびマスクや気管内チューブ
またはマウスピースのような呼吸用コネクタは、導管と
１方向バルブに相互接続されているので、吸入空気はそ
の温度を吐出空気に相応するレベルに調整するように初
めに条件設定され、その量が次に測定されて、それはマ
ウスピースに送られ、吐出空気はその量が測定される前
にCO2抽出器に送られる。流量計手段は各々電気パルス
が流量の増分を意味するパルス信号を好都合に与え、な
おかつ、システムは、マイクロプロセッサー・ベース計
算機能と、パルス信号を受信して吸入と吐出を区別し且
つ或る周期に於けるそれらの差の統合を行うディスプレ
イ・ユニットを搭載している。マイクロプロセッサー
は、試験中のカロリーメーターの使用の増分を意味する
短い周期に於けるこれらの合計された差動信号を好都合
に記憶し、なおかつ、試験の終了時に、24時間の単位で
キロカロリーのディスプレイを得るために定数で掛け算
された、試験後半の酸素消費量を表す値を表示する。こ
の構造は、抽出器の化学成分が安定した温度と水蒸気レ
ベルを生成するまで不正確になると思われる、初期の読
取値を除外する。大多数の呼吸サイクルの統合化は、フ
ロー・センサーの限られた反復性に起因するエラーを最
小限にする。

次に詳細にわたって開示される、発明の好まれる実施
態様は、吸入と吐出の両方の量を測定し、エラー源とし
て別々のメーター間の精度の考えられる違いを除去する
ために、１つの流量計を採用している。流量計は、差動
圧力タイプになる場合もあり、またはタービンや超音波
または電磁メーターのような他の形態になる場合もあ
る。流量計は、吸入された空気を、その温度がそれを抽
出器に送るか或いはそれを加熱して条件設定された後
に、受けるように接続されていて、なおかつ、ガス出力
も抽出器から受ける。導管と１方向バルブは、マウスピ
ースを抽出器の入り口と流量計の出力の両方に接続して
いる。ユーザが呼吸をすると、大気中の空気または機械
的な呼吸用換気装置の空気は、カロリーメーターに引き
込まれて、加熱され、流量計を経由してマウスピースま
たは他の患者の呼吸用インタフェースに送られる。吐出
空気は、抽出器と流量計を経由して大気に進むか或いは
換気装置に戻る。マイクロプロセッサーは、それが流量
計から受けたパルスのトレインを分析して、吸入と吐出
を区別する。代替実施態様に於いて、システムは、導管
の１つに配置されていて且つマイクロプロセッサーに接
続されている流れ方向センサーを具備しているので、マ
イクロプロセッサーは、方向センサーを通る空気の流れ
方向から吸入と吐出を区別することができる。

このカロリーメーターは、プラスの圧力の換気システ
ムに、任意の濃度の酸素源を用いて使用することもでき
る。これは、集中治療用機械的換気装置と閉ループ麻酔
装置も包合している。本発明はストレス・テストを実施
するために応用することもできる。発明の代替実施態様
に於いて、別個のフロー・センサーが、吸入と吐出量の
ために与えられるので、吸入と吐出の呼吸作用に付随す
るパルス・トレインをマイクロプロセッサーで区別する
必要性をなくすると思われる。

本発明は、吸入空気の温度と水蒸気の成分を吐出空気
に実質的に相応して調整する２つの代替構造の何れかを
採用しているので、吸入量と吐出量は、流量計で測定さ
れる時に、特許から用いられる酸素量を求めるために直
接比較される。或る実施態様の場合、吸入空気は、吐出
空気が通る同じCO2抽出器に流れる。吐出空気が抽出器
を通ると、二酸化炭素と吸収剤間の化学反応は、抽出器
の温度と水蒸気の成分を上昇させる。短い動作の周期の
後に、吸入と吐出空気は実質的に同じ温度と水蒸気の成
分になるので、それらの量は、フロー・センサーで測定
される時に、温度／水蒸気の測定調整の必要なしに、直
接比較されることができる。しかし、この構造の場合、
一部の吸入空気量は、大気中の空気より低い酸素成分を
含有する、最後の吐出から抽出器に残っていた空気の一
部の僅かの部分を含んでいる。この再び呼吸された量を
抽出器のサイズを最小限にして最小限度にすると、カロ
リーメーターに依って行われる試験の長さを制限するこ
とになる。

抽出器のサイズに対するこの制限を解消するために、
発明の代替実施態様は、ヒーターを設置して、吸入空気
の温度を吐出空気の温度に実質的に相応して高めて、こ
の加熱された空気を流量計に直接送るので、吐出空気だ
けが抽出器を通る。この実施態様は、空気の水蒸気成分
を吸入と吐出空気と基本的に等しくする手段も包合して
いる。このデバイスは、吐出分の湿気蒸気を吸収して、
吸入中に比較的乾燥した空気に依って生成されたその湿
気成分を含有する、スポンジのような、水吸収性のフィ
ルタ媒体の形態に好都合になる。このようなデバイス
は、他の呼吸補助装置に用いられていて“人工鼻”と呼
ばれている。このデバイスは、マウスピースのためのフ
ィルタとして機能して、吸入分を患者に送って、吐出分
を他の機器の通路のために受け取る。

発明の別の代替実施態様は、キャプノメーター・セン
サーを吐出空気の通路に、マウスピースと抽出器の間
に、取り付けて、吐出時のCO2の濃度を測定し、なおか
つ、この値に比例する電気信号をマイクロプロセッサー
の設定のために生成する。これは、マイクロプロセッサ
ー・ベース・コンピュータが、単位時間のCO2の流量だ
けでなく、単位時間の酸素消費量に依って割り算された
単位時間に生成されたCO2に等しい呼吸率（RQ）も計算
できるようにする。コンピュータは、このデータを用い
て、重大な呼吸のインジケーターとなる、静止状態のエ
ネルギー消費量（REE）を計算することができる。人工
鼻は、フィルタとしてマウスピースの前で作動して、吸
入空気分をマウスピースに送って、吐出空気分をマウス
ピースから受け取る。人工鼻は、空気蒸気を吐出空気か
ら吸収して、それを流量計に送られていた吐出分から効
果的に除外する。乾燥している入力空気は、湿気を人工
鼻のピースから吸収して、水蒸気を吐出分から吸収する
ために、その容量を保持する。代わりに、人工鼻は流量
計の入力部に位置決めされることもできる。これらの構
造の何れかが、抽出器の大きさに対する技術的な制限を
取り除いて、十分に大きい抽出器の使用を可能にして、
全てのCO2が吐出空気から延長された呼吸サイクルに於
いても取り除けることを保証する。

発明の別の代替実施態様は、キャプノメーター・セン
サーを、吐出時の二酸化炭素の濃度を求めるために、吐
出分を抽出器に送る導管に取り付けている。キャプノメ
ーター・センサーの電気信号は、マイクロプロセッサー
・ベース・コンピュータに、信号を用いて単位時間に吐
出されたCO2の量を計算するユニットのために与えられ
る。単位時間に吐出された二酸化炭素の量と単位時間の
酸素消費量の比率を計算して、システムは、エネルギー
代謝の重要なインジケーターとなる呼吸率を計算する。
システムは、そこで、分析者に、酸素消費量、二酸化炭
素の生成、エネルギー代謝の正確な評価を可能にする呼
吸率に関する指標を提供する。

カロリーメーターを医学的な設定に使用するために、
使用時に汚染する可能性のある機器の部分を廃棄できる
ことが望ましい。これらは、マウスピースとCO2抽出器
と相互接続チューブとバルブを具備している。流量計と
キャプノメーターは比較的高価なので、経済的な理由で
それらの廃棄ができないと思われる。従って、本発明の
１つの実施態様に於いて、１つまたは複数の廃棄可能な
バクテリア・フィルタが、患者の息のために汚染され
る、これらの廃棄エレメントと、フィルタに依って汚染
から保護される、非廃棄エレメントの間に挿入されてい
る。

本発明のデバイスは、従って、単純で、廉価で、簡単
に使用できて、優れた精度を備えている。

図面の簡単な説明本発明の他の目的、長所、応用は、発明の好まれる実
施態様の次に示す詳細な説明に依って明らかになる。こ
の説明は、次に示す添付図面を用いて行われる。図１
は、使用者に依って用いられる本発明の間接的な呼吸カ
ロリーメーターの好まれる実施態様の斜視図である。

図２は、図１の実施態様のガスのフロー回路の略図で
ある。

図３は、本発明で用いられるマイクロプロセッサーの
オペレーションの状態を示すフロー・ダイアグラムであ
る。

図4Aと図4Bは、別個のフロー・センサーを吸入と吐出
ガスのために設置している発明の２つの代替実施態様の
略図である。

図５は、図２に図示されているタイプの１つの流量計
の間接的なカロリーメーターの代替構造の断面の部分断
面図であるが、吐出に付随する流れと吸入を示す流れを
区別する電気信号を生成する流れ方向のための機械的な
センサーも包合している。

図６は、プラスの圧力の呼吸用換気装置に使用するた
めに開発された発明の代替実施態様の略図である。

図７は、呼吸用換気装置に使用するためにも開発され
た発明の別の代替実施態様の略図である。

図８は、吸入空気でなく吐出空気だけが抽出器に通さ
れて、吸入空気は吐出分に相応する温度に予め加熱され
る、発明の代替実施態様の略図である。

図９は、キャプノメーター・センサーを設置して、吐
出分の二酸化炭素濃度の決定と、呼吸率と静止状態のエ
ネルギー消費量の最終的な計算を可能にする、発明の別
の代替実施態様の略図である。

好まれる実施態様の詳細な説明図１は、使用している本発明の好まれる実施態様を示
している。ユーザ10は、口を通る吸入と吐出空気の１つ
の通路を形成するために、ユーザーの口の内面と噛み合
うように適応されるマウスピース12の形態をとる、ユー
ザー呼吸用インタフェースから、空気を吸入して、そこ
に空気を吐出する。便利な構造のノーズ・クランプ14
は、マウスピース12と連なって組み込まれて、全ての呼
吸空気がマウスピースを通ることを保証している。代替
構成の場合、口だけでなく鼻とも噛み合うマスクも採用
されることができる。機械的な換気装置と共に使用する
ことを意図されている、図６と７に図示されているよう
な実施態様の場合、気管内チューブが、マウスピースま
たはマスクよりも用いられると思われる。

マウスピース12は、ハウジングに固定されているハン
ドル19に依って手で保持する小型の計器ハウジング18に
直接接続されている。計器ハウジング18は、システムの
他の構成部品を搭載していて且つマイクロプロセッサー
・ベース計算とディスプレイ・ユニット20に接続されて
いる。ユニット20は、ON/OFFスイッチ22とペアのLED信
号ライト24と26を搭載している。信号ライト24は、スイ
ッチが最初にONポジションに投入されたことと且つ試験
が継続中であることを表示する時に点灯される。予め設
定された時間の最後で、ライト24は消されて、信号ライ
ト26が点灯され、十分な時間が経過して且つ使用者が任
意の時に終了できることを知らせる。本発明の好まれる
実施態様に於いて、ハウジング18とマウスピース12は１
つの使用を意図されていて且つ廃棄できる。

ユニット20は、値VO2、すなわち、１分間で消耗され
た吸入酸素量を示す第１デジタル・ディスプレイ28と、
Kcal/24時間の値、すなわち、抽出された吸入量と抽出
された吐出分の間の差の合計を定数で掛け算して得た値
を示す第２ディスプレイ29も搭載している。

図２は好まれる実施態様の計器ハウジング18の回路の
略図である。ハウジングは二酸化炭素抽出器30を具備し
ている。抽出器30は、苛性ソーダまたは消石灰のような
二酸化炭素吸収剤で充填されたインレットとアウトレッ
トと中心通路を具備するコンテナである。このような吸
収剤は周知の技術である。時々、それらは、ソーダ石灰
と呼ばれる形態でシリカと混合される苛性ソーダと消石
灰を含有している。他に用いられている吸収剤として、
酸化バリウムと消石灰の混合物を含有する“Baralyme"
がある。

好都合に、抽出器30は、二酸化炭素吸収媒体を、苛性
ソーダ水溶液のように、化学的に二酸化炭素を結合でき
る１つまたは複数の基質の溶液が液状で吸収され保持さ
れる、ファイバー構造の形態で使用している。抽出器30
は、或る使用期間の後にCO2で飽和状態になる。本発明
の好まれる実施態様は小型の抽出器30を使用している。
代替実施態様に於いて、図１の計器ハウジング18は、テ
ーブル・トップ構成になり、なおかつ、より長い寿命を
保つ大型抽出器30を使用している。この実施態様に於い
て、抽出器は前記のシステムから好都合に分離できるの
で、飽和状態になった後に、ユーザはそれと新しい抽出
器カートリッジを交換できる。このテーブル・トップ構
成に於いて、マウスピースも分離可能な状態でシステム
に取り付けられている。この実施態様のマイクロプロセ
ッサー・ユニット20は、抽出器の使用回数の記録を保管
して、それを交換しなければならない時をユーザに示す
手段を更に搭載している。

計器ハウジング18の回路は、各々、抽出器30のインレ
ットとアウトレットに接続されている導管32と34を更に
具備している。導管32の反対側の末端も、２つの１方向
バルブ36と38に接続されている。１方向バルブ36は、大
気から導管32にかけての空気の通路を可能にする。１方
向バルブ38は、マウスピース12に直接接続されている別
の導管40の片端に接続されている。バルブ38は、マウス
ピースに吐出される空気が導管32に入ることを可能にす
る。

導管34は圧力差タイプの流量計42に接続されていて、
そこは、そこを通る空気の量を測定する。このような流
量計は周知の技術である。好まれる実施態様に於いて、
流量計はシステムに分離可能な状態で取り付けられてい
るので、ハウジング18とマウスピース12は、流量計が保
持されたままの状態で、使用後に廃棄されることができ
る。代わりに、全体的な構造は、１回の使用のために設
計されていて、次に廃棄されることもできる。図１の21
に図示されている、計器ハウジングの開口部は、ユーザ
が流量計をシステムに接続し且つ分離できるように作動
する。流量計は、既知のガス量をシステムに与えて、流
量計に依って生成されるパルスの数を分析して較正され
る。

導管34に接続されている末端の反対側の流量計42の末
端は、２つの１方向バルブ46と48に接続されている。バ
ルブ46は、流量計を通る吐出空気が大気に出ていくこと
を可能にする。バルブ48は、導管40の他端に接続されて
いて、なおかつ、流量計42を通過した吹き込まれた空気
が、導管40に入ってマウスピース12に出てゆくことを可
能にする。図５に詳細に図示されている、代替実施態様
の場合、流れ方向センサーが、バルブ46と48の間に取り
付けらていて、なおかつ、更に正確に吸入と吐出を区別
するためにマイクロプロセッサーに接続されている。こ
のようなセンサーは、片端がバルブ46と48の間の導管壁
に固定されている軽量の弾力フラップ47を具備している
ので、流れがない時に、それは通常は導管に向けて延長
している。ユーザが息をすると、それに関連する空気の
流れは、フラップ47の自由端を２つの異なるポジション
の１つに、空気が吐出時にバルブ46に向けて出てゆく
か、または吸入時にバルブ48を通るかに基づいて動か
す。これらの別のポジションが細い線47aと47bに依って
描かれている。２つの接触センサー51と53は、フラップ
の位置を検出して、信号をマイクロプロセッサーに送る
ために用いられる。

流量計42は、マイクロプロセッサー・ユニット20に接
続ワイヤー44を経由して接続されている。メーター42は
マイクロプロセッサー・ユニットにパルス信号を与え、
各々電気パルスは流量の増分を表している。マイクロプ
ロセッサー・ユニット20は、ディスプレイ41、好まれる
実施態様の場合、プリンタ43に接続されているマイクロ
プロセッサー39を搭載している。マイクロプロセッサー
は、それが吸入と吐出を示すパルス信号を区別すること
を可能にする信号を受信する。好まれる実施態様に於い
て、マイクロプロセッサーは、試験中のカロリーメータ
ーの使用量の増分を示す短い周期に対して統合化された
信号を記憶する。試験の終了時に、マイクロプロセッサ
ーは、試験の後半部の酸素消費量を意味する値を合計
し、なおかつ、この値と定数を掛け算して、キロカロリ
ー/24時間のディスプレイを求める。

代わりに、流れ方向は、１方向バルブ36,38,46または
48で統合化される方向スイッチ（図示されていない）に
依って検出されることもできる。

マウスピース12は、導管40に直接接続されていて、な
おかつ、使用者が空気を導管に出入するように吐いたり
吸ったりすることを可能にしている。システムは次に示
すように作動する、すなわち、ユーザがマウスピース12
を経由して呼吸をすると、大気中の空気は、バルブ36
に、導管32を経由して、抽出器30を経由して、導管34
に、流量計42を経由して、バルブ48に、導管40を経由し
て、マウスピース12とユーザの肺に引き込まれる。吐出
空気は、マウスピースを経由して、導管40に、バルブ38
を経由して、導管32に、抽出器30と流量計42を経由して
通り、バルブ46を経由して大気に出てゆく。計器ハウジ
ング18に用いられている導管とバルブは、周知の技術で
あり、なおかつ、導管とバルブの異質の空気に依って生
成するエラーを最小限にするために、好都合に非常に短
い長さになっている。

図３は本発明の好まれる実施態様のマイクロプロセッ
サーのオペレーションの一般的な流れを示すフロー・ダ
イアグラムを与えている。アルゴリズムは、５つのレジ
スターを用いて、５つ連続する間隔中に流量計42に依っ
て生成された量の合計の値を記憶する。

まず、図１のLED信号ライト24が点灯されて、ユーザ
に、試験が続行中であることを知らせる。ブール変数SW
ITCHが次に真に初期設定されて、整数変数REGは、使用
中のカレント・レジスターの記録をとるために、０に初
期設定される。

次に、メイン・タイマーがスタートされる。このタイ
マーは、試験に要求される最小限度の時間が経過した後
に終了する。好まれる実施態様の場合、この時間は10分
である。

次に、60で示されるステップで、間隔タイマーがスタ
ートされる。このタイマーは全体の時間の短い増分の記
録をとる。好まれる実施態様に於いて、この時間は１分
である。マイクロプロセッサーは、各々時間の増分に相
応して吐出と吸入ガス量の間の統合化された差を見いだ
して、これらの値をREG 1,REG 2,...と指定されたメモ
リ・ロケーションに記憶する。プロセッサーは、最も最
近の５つの周期だけ記憶するので、吸入と吐出ガスの間
の温度差のために不正確になると思われる初期の読取値
が除外される。次に、カウンター変数Vol 1とVol 2は０
に初期設定されて、REGは１だけ増加される。62で、カ
レント・レジスターが５より大きいかどうかについての
チェックが行われる。そうでない時に、アルゴリズムは
64で示されているステップに進む。REG＞５の時に、REG
は１にセットされて戻り、アルゴリズムをステップ64を
続ける。

64で、プール変数WAITが真にセットされる。この変数
は、マイクロプロセッサーが流量計のパルス信号を待機
しているかどうかについて指示するために用いられる。
次に、待機タイマーがスタートされる。このタイマー
は、マイクロプロセッサーがパルス信号を待機する最長
時間を定めるために用いられる。次に、アルゴリズムは
66で示されるステップに進む。

66で、パルス信号が流量計から受信されたかどうかに
ついてのチェックが行われる。そうでない時にアルゴリ
ズムは68に示されるステップに進む。パルスが66で受信
されていた場合、WAITが偽にセットされ且つステップ70
でSWITCHが真であるかどうかについてのチェックが行わ
れる。その場合にVol 1が増分される。そうでない場合
にVol 2が増分される。何れかのケースでアルゴリズム
はステップ66に進む。流れ方向センサー・スイッチ51と
53を使用する図５の代替実施態様の場合、SWITCH変数は
アルゴリズムに必要とされない。この実施態様に於い
て、マイクロプロセッサーは、流れ方向センサー・スイ
ッチ51と53から受信された信号をチェックし、次に、ユ
ーザが吸入している時にVol 1を、または彼が吐出して
いる時にVol 2を増分する。同様に、別の流量計が吸入
と吐出量を検出するために用いられる時に、図４の実施
態様のように、アルゴリズムは適切に変更される。

68で、WAITが真であり且つ待機タイマーが終了してい
ないかどうかについての両方のチェックが行われる。こ
れらの条件の何れかが真でない時に、アルゴリズム72で
示されるステップに進む。そうでない場合に、アルゴリ
ズムはステップ66を続ける。

72で、SWITCHが補数にされる。次に、SWITCHが真にセ
ットされているかどうかについてのチェックが行われ
る。そうである時に、アルゴリズムは74で示されるステ
ップに進む。SWITCHが偽の時に、アルゴリズムはステッ
プ64に戻る。

74で、間隔タイマーが終了したか或いはWAITが真にセ
ットされているかどうかについてのチェックが行われ
る。これらの条件の何れかが真の時にアルゴリズムは76
で示されるステップを続ける。そうでない場合に、それ
はステップ64に戻る。

76で、Vol 1とVol 2の間の差（吐出と吸入酸素量の間
の差）の絶対値がカレント・レジスターに記憶される。
次に、メイン・タイマーが終了したかどうかについての
チェックが行われる。そうである場合に、アルゴリズム
は78で示されるステップに進む。そうでない場合に、ア
ルゴリズムは、ステップ60に戻って、ルーチンに別の時
にすすみ、周期の次の間隔（好ましくは１分）に対して
量の信号の合計を次のレジスターにロードする。78で、
図１のLED信号ライト26が点灯されて、ユーザに彼が任
意の時に終了できることを知らせる。マイクロプロセッ
サーは、パルス信号が待機タイマーの全体の周期に対し
て流量計から受信されていない時に、ユーザが終了した
ことを検出する。

次に、WAITが真にセットされているかどうかについて
のチェック行われる。そうである場合に、アルゴリズム
は80で示されるステップを続ける。WAITが偽の時に、ア
ルゴリズムはステップ60に戻る。80で、５つのレジスタ
ーが互いに合計されて、試験の最後の部分で吐出と吸入
酸素量の間の差の合計を求める。次に、１分間で吸い込
まれた酸素量VO2が、図１に図示されるように、マイク
ロプロセッサー・ユニット20のデジタル・ディスプレイ
28に表示される。最後に、合計は、使用者が24時間で費
やしたキロカロリーの数値を得るためにファクターで掛
け算される。このファクターは次のようにして求められ
る。約５キロカロリーが、１分で消費された酸素の全て
の１リットルに対して費やされる。本発明の好まれる実
施態様に於いて、酸素量はミリメーターの単位で測定さ
れる。従って、静止状態のエネルギー消費量（REE）
は、後述のようにWeirの関係式から計算される。この結
果はユニット20のデジタル・ディスプレイ29に表示され
て、試験結果のレポートは、図２に図示されているよう
にプリンタ43に出力される。代替アルゴリズムも、メイ
ン・タイマーが終了した後の１分間に吸い込まれた酸素
量を表示し、なおかつ、各々の間隔の後に、その更新を
続ける。

図３に描かれているアルゴリズムの開示は、本発明を
限定することを意図されていない。数多くの異なるアル
ゴリズムが、同じ結果を得るために実施されると思われ
る。図解の趣旨からして、エラー・チェック機能のよう
な、周知の管理的な補助機能は、図３のアルゴリズムか
ら省略されている。

図4Aと4Bは２つの流量計を具備する本発明の代替実施
態様を示している。図4Aの実施態様は、導管92の片端
に、なおかつ、導管94の反対側の端に接続されている、
二酸化炭素抽出器90を使用している。導管92は、その末
端の１つで１方向バルブ96に接続されている。バルブ96
は、空気が大気から導管92に流れることを可能にする。
導管92の他端は流量計98に接続されている。１方向バル
ブ93は、空気が導管から流量計に流れることを可能にす
る、導管92とメーター98の間に配置されている。メータ
ー98は、マイクロプロセッサー・ユニット100に接続ラ
イン102を経由して接続されている。空気は、導管92か
ら流量計98を経由して流れて、大気に出てゆくと思われ
る。

導管94は１方向バルブ104の片端に接続されている。
バルブ104の反対側の末端は導管106に接続されている。
バルブ104は、空気が導管106から導管94に流れることを
可能にする。導管94の反対側の末端は、流量計108に接
続されている。流量計108はマイクロプロセッサー・ユ
ニット100に接続ライン110を経由して接続されている。
導管94に接続されている末端の反対側の流量計108の末
端は、１方向バルブ112に接続されている。バルブ112
は、メーター108を、バルブ104に接続されている末端の
反対側に位置する導管106の末端に接続している。バル
ブ112は、空気がメーター108から導管106に流れること
を可能にする。

導管106は、114に示されるマウスピースに直接接続さ
れている。マウスピースは、分離可能な状態で導管に取
り付けられている。更に、抽出器90は、システムにも分
離可能な状態で取り付けられていて、なおかつ、二酸化
炭素で飽和状態になる前に複数の回数で使用可能なタイ
プの大型に好都合になる。

システムは次のようにして作動する。すなわち、ユー
ザがマウスピース114から吸い込むと、大気中の空気
は、バルブ96に、導管92を経由して、抽出器90を経由し
て、導管94に、流量計108を経由して、バルブ112を経由
して、導管106に、マウスピースとユーザの肺に引き込
まれる。吐出空気は、マウスピースを経由して、導管10
6に、バルブ104を経由して、導管94に、抽出器90を経由
して、導管92に、バルブ93を経由し且つ流量計98を経由
して通って、大気に出てゆく。

この実施態様は、２つの流量計の較正を前述の方式
で、なおかつ当然のように、図３に図示されているもの
とマイクロプロセッサーのオペレーションに対して異な
るアルゴリズムを要求する。この実施態様の場合、マイ
クロプロセッサーは、吸入パルス信号と吐出信号を区別
する必要がない、何故ならば、それは２つの入力、すな
わち各々流量計に対して１つを受けるからである。アル
ゴリズムは、設置されている抽出器が用いられた回数を
記録して、次に、システムは或る限界が過ぎた後に新し
い抽出器を必要とする時期にきていることをユーザに知
らせる、手段を搭載するために更に拡大されることもで
きる。

図4Bの実施態様の場合、入力空気は、流量計で測定さ
れる前に抽出器90に流れない。むしろ、入力空気は、そ
の温度を吐出空気の温度に上昇させる予熱ヒーター109
を最初に流れる。それは、次に、入力流量計108と１方
向バルブ112′と湿気吸収人工鼻111を経由してマウスピ
ース114′に進む。吐出空気は、鼻111と１方向バルブ10
4′と抽出器90′と出力流量計98′に進む。流量計108′
と98′は共に電気信号をマイクロプロセッサー・ベース
・コンピュータ100′に与える。

図６は、吸い込まれる空気のための導管102と吐き出
された空気のための導管104を具備する呼吸用換気装置1
00を備えた有用な発明の実施態様を示している。換気装
置100は、プラス圧力の換気タイプであって、センサー
（図示されていない）をライン102またはライン104の何
れかに取り付けて、換気装置を制御し、プラス圧力のオ
ーバーフローを与えて、患者の呼吸作用を支援する。マ
ウスピースまたはマスクより、むしろ、図６の実施態様
は、患者の喉に挿入される気管内チューブに接続される
ように適応されるコネクタ106を採用している。間接的
なカロリーメーターは、吸入ガスをバルブ110を経由し
て或いは吐出ガスを１方向バルブ112を経由して受け取
る抽出器108を具備していることを除けば、図２と同じ
である。抽出器は、その出力を、マイクロプロセッサー
とディスプレイ・ユニット116に接続されている単一流
量計114に送る。ペアの１方向バルブ118と120は、ガス
出力を、流量計から吸入時に患者に送るか、または吐出
時に患者に戻す。吸い込まれ且つ吐き出された両方のガ
スは、カロリーメーターと換気装置の間で単一の通路を
形成する接続部122を経由して交換される。図示の通
り、この単一の通路は、抽出器と呼吸用コネクタとを接
続している導管と、１本の別の導管（バルブ110、118が
位置する）により接続されている。

カロリーメーターは従って換気装置にとって透明にな
る、すなわち、換気装置は、それが、そのチューブにカ
ロリーメーターを経由して間接的にというより、むしろ
気管内チューブに直接接続されているように作動する。

分離された吸入チューブ132と吐出チューブ134を備え
たタイプのプラス圧力の換気装置130を具備する使用に
適した発明の別の実施態様が図７に図示されている。間
接的なカロリーメーターは、一般的に136として指定さ
れているが、図２のマウスピース12よりむしろ気管内チ
ューブのための接続部138を与えることを除けば、図２
と実質的に同じである。換気装置132の吸入チューブ出
力は、CO2抽出器140に、カロリーメーターの一部を形成
する１方向バルブ142を経由して送られる。抽出器140も
吐き出されたガスを患者から１方向バルブ144を経由し
て受け取る。抽出器の出力は、電気出力をマイクロプロ
セッサーとディスプレイ・ユニット148に与える、流量
計146に送られる。流量計のガス出力は、吐出チューブ1
34に１方向バルブ150を経由して吐出中に、または患者
に１方向バルブ152を経由して吸入中に与えられる。

この構造は、患者の呼吸作用を、彼の最初の呼吸方向
を検出した後に支援しない、機械的な換気装置を用いる
使用に適している。

図８に図示されている、発明の代替実施態様に於い
て、吸入空気は、患者のマウスピースに入る前に、CO2
抽出器を経由して流れない。CO2抽出器は吐出空気を受
け取るだけである。

図８を見ると、大気中の空気またはプラス圧力の換気
装置との接続を示す、空気源200は、好都合に電気抵抗
ヒーターである予熱ヒーター204に空気を送る導管202に
接続している。ヒーターは入力空気の温度を約34℃に高
めるが、これは吐出空気の温度の１または２度の範囲に
入る。代わりに、センサー（図示されていない）が、吐
出空気の温度を測定して予熱ヒーター204の温度を制御
することもできる。加熱された吸入空気は、その電気出
力をマイクロプロセッサー・ベース・コンピュータ208
に与える、流量計206に送られる。ペアの１方向フロー
・バルブ210と212は、予熱されている吸入空気を導管21
4を経由して“人工鼻”内蔵タイプの湿気吸収フィルタ2
16に送る。フィルタは、基本的に、繊維質エレメントま
たはスポンジから形成されるフィルタのような、湿気吸
収剤から構成している。人工鼻216は吸収空気を患者の
マウスピース218に送る。

患者がマウスピースに吐き出すと、吐出分は最初に人
工鼻216に送られる。これは、その水蒸気成分を吸入空
気に相応するレベルに調整する。人工鼻は、従って、湿
気を吐出された息から吸収して、入ってくる息から生成
される、その湿気レベルをもつことになる。その結果、
吐出分の湿気蒸気成分を効果的に減少することになる。
人工鼻を通った後に、吐出空気はCO2抽出器220に進み、
抽出器の出力は流量計206に１方向バルブ22に依って送
られる。流量計の出力は空気源200に１方向バルブ212に
依って戻される。

この構成に於いて、吸入時に、患者は新鮮な空気に依
る呼吸作用を受ける。前の構成の場合、吸入空気はCO2
抽出器から来ていたので、抽出器の大きさを最小限にし
て、後の吸入時に既に吐出されていた空気に依る再度の
呼吸作用を順に最小限にする必要があった。この制約要
因の除去が、実質的に大型のCO2抽出器の使用を可能に
している。

図９は、キャプノメーター・センサー230がマウスピ
ース12と抽出器30の間に取り付けられている発明の代替
実施態様を示している。前述の実施態様との他のてんで
実質的に同じカロリーメーターである。従って、図２の
実施態様に実質的に関連する数多くの要素が、他の構成
部品に用いられている。キャプノメーターは、通過する
吐出空気量のパーセンテージCO2濃度の関数である電気
信号を生成するように作動する。キャプノメーターは、
アメリカ特許4,859,858,4,859,859,4,914,720または4,9
58,075に説明されているような通常のタイプになる。流
量計42の信号だけでなくキャプノメーターの電気信号
も、マイクロプロセッサー・ベース・コンピュータ232
に送られる。酸素消費量VO2と、単位時間あたりキロカ
ロリーの単位で表される静止状態のエネルギー消費量の
他に、コンピュータ232は、単位時間に吐き出されるCO2
の量と、VO2に依って割り算されたVCO2に等しい呼吸率
（RQ）と静止状態のエネルギー消費量のディスプレイを
生成する。静止状態のエネルギー消費量（REE）は好都
合にWeirの関係式から計算される、すなわち、 REE(KC/24hours)＝1440(VO2＊3.341)＋(VCO2＊1.11) ここでVO2とVCO2は、共に１分間あたりのキロカロリー
の単位で測定される。

図９の実施態様は任意の他の実施態様に関連して有用
な発明の別の特徴を示している。バクテリア・フィルタ
234がマウスピースとキャプノメーター230の間のフロー
・ラインに取り付けられている。バクテリア・フィルタ
は、空気の流れが５ミクロン以下の任意の市販の多種多
様なタイプになると思われる。効果的に、それはキャプ
ノメーターと流量計を吐出空気に起因するバクテリアの
汚染から保護する。保護される構成部品は、従って、任
意の特殊な消毒または類似の処置をせずに別の患者に依
る次の測定に使用できると思われる。マウスピース12は
CO2抽出器30のように廃棄できると考えられる。バクテ
リア・フィルタは、発明の前述の実施態様に同様に設置
されて、流量計を、比較的高価であるが、バクテリアの
汚染から保護する、そこで、それは使用ごとに廃棄され
る必要はないと思われる。

私の発明を説明してきたので、ここで、次の請求の範
囲を要求する。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】使用者の単位時間あたりの呼吸時の酸素消
費量を呼吸ガスから測定するように作動する間接的なカ
ロリーメーターに於いて、使用者に接触して支持されるように作動する呼吸用コネ
クタであって、呼吸ガスを使用者の息として前記の呼吸
用コネクタに送る、前記の呼吸用コネクタと、ガス・インレットとガス・アウトレットを具備している
抽出器であって、二酸化炭素をそのインレットとアウト
レットの間を通る前記の呼吸ガスから呼吸するように構
成される、前記の抽出器と、前記の呼吸用コネクタに動作的に接続されている流量計
手段であって、信号を前記の流量計手段に通される前記
のガスのガス量の関数として生成する、前記の流量計手
段と、前記の呼吸用コネクタと抽出器と流量計手段を相互接続
して、使用者が吸い込む時に、ガスを抽出器、そして、
流量計手段に送り、次に、使用者の呼吸システムに呼吸
用コネクタを経由して送り、なおかつ、使用者が吐き出
す時に、吐出用ガスを呼吸用コネクタから最初に抽出器
に、次に流量計手段に送るように構成されている、バル
ブと導管と、最終的な信号を流量計手段から受け且つ或る周期に於け
る吸入ガス量と吐出ガス量間の差の合計に比例する信号
を生成する手段と、前記の導管と機械的な換気装置を接続する手段であっ
て、前記の換気装置が呼吸ガスをカロリーメーターに与
え且つこのカロリーメーターからの吐出ガスを受け取る
ことができるようにする手段と、を具備する前記の間接
的なカロリーメーター。
【請求項２】前記の機械的な換気装置が、この換気装置
からの流入及び換気装置への流出の両方に適合された単
一の通路を含み、前記の導管と前記の機械的な換気装置
を接続する前記の手段が、前記の単一の通路と前記の導
管とを接続するための１本の別の導管から成り、この１
本の別の導管を介して、呼吸ガスを換気装置の前記単一
の通路に通過するように構成された請求項１記載の間接
的なカロリーメーター。
【請求項３】前記の換気装置が、使用者によって吸入さ
れたガスを通過するための第１の管と使用者によって吐
出されるガスを通過するための第２の管を含み、前記の
第１の管及び第２の管が、前記の呼吸用コネクタと抽出
器と流量計手段を相互に接続する間接的なカロリーメー
ターの前記の導管の別々の部分に接続するように構成さ
れている請求項１記載の間接的なカロリーメーター。
【請求項４】前記の換気装置の前記の第１の管を間接的
なカロリーメーターの導管と相互接続するための第１の
１方向バルブと、前記の換気装置の前記の第２の管を間
接的なカロリーメーターの導管と相互接続するための第
２の１方向バルブと、を含む請求項３記載の間接的なカ
ロリーメーター。